物理学家测量第二声音的温度 – 物理世界

美国物理学家开发了一种监测“第二声”（超流体中发生的奇异热波）的新技术。这项工作可以帮助模拟各种科学上有趣且知之甚少的系统，包括高温超导体和中子星。

“第二声音”一词是由苏联物理学家 Lev Landau 在 1940 世纪 XNUMX 年代创造的，当时他的同事 László Tisza 提出液氦的奇异特性可以通过将其视为两种流体的混合物来解释：一种是普通流体，另一种是超流体。无摩擦地流动。这种布置产生了这样的可能性：如果超流体和正常流体沿相反方向流动，材料将不会受到任何明显的扰动，但当正常流体和超流体交换位置时，​​热量仍然会像波一样穿过它。

不久之后，另一位苏联物理学家瓦西里·佩什科夫通过实验证实了这一点。 “他（佩什科夫）确实能够在一侧定期加热超流体，并测量热量在容器中像驻波一样分布，”说 马丁·茨维尔莱因领导这项新研究的麻省理工学院 (MIT) 物理学家。

进入 21 世纪，物理学家如 佐兰·哈吉巴比克 英国剑桥大学； 黛博拉·金 JILA 位于美国博尔德；和 沃尔夫冈凯特勒 麻省理工学院的博士通过证明玻色-爱因斯坦凝聚体和强相互作用的费米气体也表现出超流体特性，为第二声音研究引入了新的维度。 2013年 鲁道夫·格林 奥地利因斯布鲁克超冷原子和量子气体中心的科学家成为第一个在此类系统中观察到第二声音的人。 “[格林]看不到热量，但只要气体中有热量梯度，就会伴随着密度梯度，因为气体是可压缩的，”Zwierlein 解释道。 “有一种行进密度波，其速度比正常声速慢得多，并且与第二声音有关。”

热流直接成像

在这项新研究中，Zwierlein 及其同事对由超冷锂 6 原子组成的强相互作用费米气体中的热流进行了成像。为此，他们将原子置于盒子电势中，并打开磁场，该磁场精确调节到与原子中所谓的费什巴赫共振相关的值。在这种共振下，低于某个临界温度的费米子锂6原子可以在长距离内相互作用，通过类似于超导中的巴丁-库珀-施里弗机制的机制形成玻色子对。 “这有点误导，但有助于首先理解将超流体视为成对原子的组成部分，而将正常组成部分视为不成对原子的组成部分，”Zwierlein 解释道。

接下来，研究人员对气体施加短射频（RF）脉冲。射频辐射将未配对的原子激发到不同的超精细状态，而配对的原子则不受干扰。然后研究人员使用激光对两组原子进行成像。 Zwierlein 解释说：“这些超精细态被充分分割，我们的光学探针仅对我们选择的特定超精细态做出响应。” “哪里有很多原子，我们就会看到黑暗的阴影；哪里有很多原子，我们就会看到黑色的阴影。几乎没有原子的地方，光就可以穿过。”至关重要的是，由于较冷的气体含有较大比例的不受射频影响的成对原子，因此图像包含有关气体温度的信息。因此，即使介质保持静止，研究人员也可以直接对热流进行成像。

借助这个新工具，研究人员进行了多项测量。在最冷的温度下，局部加热单个区域会产生强烈的第二声波。当介质接近其临界温度时，与简单扩散相比，这些波对于传热的重要性逐渐减弱。超过临界温度，它们就完全消失了。研究小组还观察到了临界温度下的异常行为。 “这对于任何相变来说都是相似的，比如水壶里的水沸腾：你会看到气泡——事情变得疯狂，”Zwierlein 说。最后，他们测量了第二个声音的阻尼，这是因为虽然超流体成分在没有摩擦的情况下流动，但普通流体却没有。

高温超导体和中子星

研究人员表示，这项新技术也应该适用于玻色-爱因斯坦凝聚体，并且还可以用于分析最近开发的高温超导费米-哈伯德模型。此外，Zwierlein 表示，“令人惊讶的是，中子星内部的物质在行为上非常相似，因为这些中子之间的相互作用也非常强烈，所以我们正在实验室中从比空气薄一百万倍的气体中学到一些东西一些关于疯狂的中星的事情，这是很难到达的。”

锗中出现“第二声音”

没有参与这项研究的哈齐巴比克对此印象深刻。 “他们不仅能在纳开尔文以下进行出色的测温——即使各地温度都相同，这也很困难——而且他们还可以在本地进行测温，这是看到这种波的关键，”他告诉我们 物理世界。 “所以他们可以说这里的温度高了半纳开尔文，而这里 20 微米外的温度则低了半纳开尔文。”他表示，他期待看到该技术“应用于我们了解甚少且整个系统远离平衡的系统”。

研究发表在 科学.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/physicists-take-the-temperature-of-second-sound/